1、 第十章 無線通信與網絡無線通信是以自由空間作為介質，利用電磁波傳播信號的通信系統(tǒng)。它是目前通信領域發(fā)展最為活躍的技術。無線通信的優(yōu)點：不需架線挖溝，建設成本低，周期短；覆蓋范圍廣；擴容靈活；維護簡單。一、概述信號源用于將待傳遞信息變成基帶電信號；發(fā)送設備主要解決電信號與信道的匹配；信號以電磁波形式在空間介質中傳播；接收設備的功能與發(fā)送設備相反。無線通信系統(tǒng)包括信號源、發(fā)送設備、傳輸信道（即為空間介質）、接收設備和收信裝置等。 無線通信系統(tǒng)分類從通信方式來分，無線通信可分為移動通信和 固定通信兩種；從通信的信道來分，無線通信可分為衛(wèi)星通信、紅外通信、短波通信等。 從接入網絡的組網方式來分，無線

2、通信網可分為無線廣域網、無線局域網和無線個域網。 根據是否存在固定的網絡基礎設施來分，無線系統(tǒng)可分為蜂窩系統(tǒng)和Ad hoc系統(tǒng)。 無線通信的發(fā)展前景多址技術：將有限的通信資源在多個用戶之間進行有效的切割與分配，在保證多用戶之間通信質量的同時盡可能地降低系統(tǒng)的復雜度并獲得較高系統(tǒng)容量軟件無線電 ：智能多模式終端的進一步發(fā)展，是無線系統(tǒng)從模擬到數字發(fā)展的新階段自適應技術 ：實時檢測信道，根據信道狀況自動調整通信參數，包括自適應天線，自適應調制，自適應信道均衡等多用戶檢測：在接收端盡量消除信道之間的多址干擾。 二、無線通信的基本原理 1 無線電波的傳播特性 （a）直射（b）折射（c）繞射（d）散射直

3、射、反射、繞射和散射是無線通信系統(tǒng)中四種最基本的傳播方式。 電磁波在均勻空間中是以直線方式傳播的； 在直射過程中，如果電磁波入射到一個尺寸比波長大得多的物體時（如地球表面、建筑物和墻壁表面），將發(fā)生反射； 如果電磁波被不規(guī)則的邊緣阻擋時，由阻擋表面產生的二次波存在于整個空間，甚至于阻擋物的后面，也就是電磁波能夠繞過障礙物傳播，即為電磁波的繞射。 當電磁波傳播過程中遇到尺寸小于波長的目標物或者障礙物的數目很多時（如粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體），電磁波將產生散射。 無線電波是一種電磁波，當電磁波自波源（天線）發(fā)出后，要經過地波（表面波）傳播，空間波傳播和天波傳播等各種可能的途徑才能到達接收天

4、線。 地波傳播又稱表面波傳播，是電磁波繞著地球的彎曲表面而進行的傳播。 空間波傳播又稱視距傳播。在可視距離內，電磁波由天線發(fā)射出來，沿直線傳播到接收天線。 天波傳播是利用電離層的折射和反射來傳播的電磁波。 決定傳播方式和傳播特點的關鍵因素是無線電信號的頻率。長波和中波的傳播都是借助地波的，并且比較穩(wěn)定，多用作遠距離通信與導航。短波通信可以借助天波傳送。短波傳播主要用于國際無線電廣播，遠距離無線電話和電報通信等。超短波和微波只能用空間直射波進行視距通信，傳播距離大致上限制在視距范圍之內。超短波和微波波段廣泛用于衛(wèi)星通信，宇宙飛船與地面站之間的通信，遙測等系統(tǒng)中。 調制就是對信號源的編碼信息進行處

5、理，使其變?yōu)檫m合傳輸并適應信道復用的形式。 解調則是將基帶信號從載波中提取出來，使接收者理解或做進一步的處理。 調制信號為模擬信號時，最基本的調制方式是：幅度調制（AM）、頻率調制（FM）和相位調制（PM）。還可以有三種基本方式的組合調制方式。 調制信號為數字信號時，通常稱為鍵控（SK: Shift Keying），三種基本的鍵控方式為振幅鍵控 （ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控(PSK)。2 調制解調技術 調制方案的性能常用它的功率效率和帶寬效率來衡量。 功率效率 ： 帶寬效率： 每比特信號能量 R 每秒數據率 噪聲功率譜密度 B 已調信號占用的帶寬 目前，擴頻技術也得到廣泛應用。擴展

6、頻譜的優(yōu)點： 很多用戶可以在一個頻帶中同時使用，而不會相互產生明顯的干擾。 良好的抗多徑干擾的特性。固定分配接入 固定分配方式固定地將信道劃分為不同的子信道并分配給各個用戶。常用的固定分配接入方法：FDMA 頻分多址TDMA 時分多址CDMA 碼分多址 即分別采用頻率、時間或碼字區(qū)分不同用戶傳輸的多址方式。 3 無線介質接入方案隨機接入方法隨機接入方法就是在通信時為了處理突發(fā)性數據而產生的。分成兩類，第一類基于ALOHA接入方案，另一類是基于CSMA（載波偵聽）的隨機接入技術。 沖突重發(fā)送終端1終端2終端3沖突重發(fā)送（a）（b）ALOHA協(xié)議原理圖（a）純ALOHA協(xié)議（b）時隙ALOHA協(xié)議

7、終端1終端2終端3偵聽終端1終端2終端3偵聽延遲圖10-5CSMA協(xié)議原理圖 ALOHA是最簡單的隨機接入技術，它以分組形式允許多用戶在共用信道上發(fā)送消息。 基于載波偵聽的隨機接入技術在發(fā)送前先監(jiān)測信道，并采取相應措施減少工作站發(fā)送消息的盲目性，從而減少沖突概率。 三、射頻系統(tǒng)及應用 目前在無線通信領域，射頻多指300MHz至5.8GHz的頻率范圍。射頻技術在當今各個領域得到了廣泛應用。如:高速語音、數據、圖文與圖像傳輸；蜂窩式個人通信與基站；低軌道衛(wèi)星移動通信；無線局域網；無線接入技術（包括Bluetooth）；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；衛(wèi)星直播電視；多點多址分布系統(tǒng)。 1 無線通信射頻系統(tǒng)概述 無

8、線射頻系統(tǒng)一般由接收機和發(fā)射機兩部分構成。 發(fā)送信號時，從基帶模塊送出含有信息的模擬信號，經中頻放大后，在混頻器中的升頻器中混頻成為射頻信號，送到射頻功率放大器中進行功率放大，再通過天線發(fā)送出去。 接收信號時，通過天線接收進來的射頻信號經濾波和低噪聲放大器放大后，與本地振蕩器所產生的本地振蕩信號再經降頻器混頻，產生固定的中頻信號IF，放大后送到基帶部分進行后續(xù)處理。2 接收機 射頻接收系統(tǒng)可分為超外差升降頻結構和直接升降頻結構兩種。 超外差升降頻結構 微弱射頻信號首先通過射頻（RF）段的帶通濾波器（BPF），以衰減頻帶外的噪聲和干擾，然后由低噪聲放大器（LNA）進行多級放大，放大后的信號與可調

9、諧本振進行混頻，通過中頻（IF）段的帶通濾波器，頻譜就被下變頻到一個固定的中頻。 上述結構有兩個主要的問題需要解決，即抑制鏡像信號和相鄰信道的干擾。 通過二次變頻超外差接收結構，能較好的解決上述矛盾。 二次變頻超外差接收結構 直接升降頻結構 直接升降頻結構其本地振蕩頻率和射頻頻率相同。射頻頻率直接降到基頻，沒有鏡像頻率的問題，所以不需要在混頻器前加鏡像濾波器。沒有中頻，故不需要在混頻器后加選擇濾波器和中頻放大器，而是直接使用一個低通濾波器和一個基頻放大器。但存在上下邊帶重疊的問題。上下邊帶重疊 可以采用兩次下變頻的方法來解決，第一次和正弦信號混頻，第二次和余弦信號混頻。 直流失調 本振信號與載

10、波頻率相同，對同頻帶工作的其它 接收機帶來干擾；正交通道幅度和相位不匹配會引起誤碼率上升；顫動噪聲 ；電源上的不穩(wěn)定抖動和 50Hz 的低頻干擾；存在的問題 發(fā)射機完成的主要功能是調制、上變頻、功率放大和濾波。發(fā)射機的方案比較簡單，大致可以分兩種：一是將調制和上變頻合二為一，在一個電路完成，稱為直接變換法；二是將調制和上變頻分開，先在較低的中頻上進行調制，然后將已調信號上變頻到發(fā)射的載頻上，稱為兩步法。注入拉移現象 3 發(fā)射機直接變換法比較簡單，基頻信號只經過一次升頻后，就經由功率放大器發(fā)射出去。 存在注入拉移現象。要消除拉移現象，直接降頻結構的本地振蕩頻率最好離射頻頻率足夠遠。使用兩個不同頻

11、率的壓控振蕩器（VCO），經過混頻器后，產生新的本振頻率，以改善注入拉移現象。 兩次變換法可以改善直接變換法的不足。 超外差發(fā)射機的二次升頻結構 利用二次升頻的方式把基頻信號發(fā)射出去。功率放大器的頻率離振蕩頻率非常遠，因此不會有注入拉移現象。而且由于調制是在較低的中頻上進行，因此正交的兩支路容易一致。4 射頻芯片nRF905及在無線影音監(jiān)控系統(tǒng)中 的應用nRF905內部結構圖系統(tǒng)移動端MIC音頻編解碼芯片TLV320AIC23B射頻收發(fā)芯片nRF905耳機存儲器DSP TMS320DM642視頻解碼芯片TVP5150PBS攝像頭無線數字影音監(jiān)控系統(tǒng)采用的是點到點雙工無線通信方式，在視距2003

12、00米的變電站區(qū)域內，實現無線語音對講、無線視頻傳輸功能。整個系統(tǒng)分為移動端和固定端。視頻數據是單向傳輸的，由移動端向固定端發(fā)射。音頻則是雙向傳輸。射頻收發(fā)芯片nRF905DSP TMS320DM642顯示器音頻編解碼芯片TLV320AIC23BMIC耳機視頻編碼芯片SAA712H系統(tǒng)固定端 系統(tǒng)移動端由數字視頻輸入模塊，音頻輸入輸出模塊，DSP處理器與存儲器，無線發(fā)射模塊構成。 系統(tǒng)固定端由數字視頻編碼模塊，音頻編解碼模塊，DSP處理器與存儲器，無線收發(fā)模塊構成。 四、無線通信網絡無線通信網絡按通信覆蓋的范圍大致可以分為:無線廣域網（WWAN，十幾公里）無線城域網（WMAN，幾公里）無線局域

13、網（WLAN，100米左右）無線個域網（WPAN，10米左右） 1 無線廣域網無線廣域網絡是移動電話及數據服務所使用的通訊網絡，覆蓋范圍可以達到十幾公里乃至上百公里。無線廣域網主要有2G、2.5G及3G等，主要采用GSM，GPRS，CDMA等技術（1）2G2G即第二代蜂窩通信系統(tǒng)規(guī)范，主要應用于GSM（Global System for Mobile）即全球移動系統(tǒng)。它的工作頻段在890MHz到915MHz之間（用于用戶到基站的傳輸）和935MHz到960MHz之間（用于基站到用戶的傳輸），提供了9.6kbps的數據傳輸率。GSM的基本結構數據網PSTNMSC操作維護中心（OMC）BTSBTS

14、BTS設備標識寄存器（EIR）設備標識寄存器（EIR）設備標識寄存器（EIR）設備標識寄存器（EIR）PSTNBSC（2）2.5G2.5G即第二代半蜂窩通信系統(tǒng)規(guī)范，主要采用GPRS（General Packet Radio Service）技術，即通用分組無線業(yè)務。GPRS是一種工作于20kHz信道的基于FDMA/TDMA的分級交換無線技術，支持從144kbps384kbps的速率。GPRS是分組交換，在每個幀分配給用戶多個時隙。（3）3G 3G即第三代蜂窩通信系統(tǒng)規(guī)范。3G的主要特征是可提供豐富多彩的移動多媒體業(yè)務，傳輸速率在高速移動環(huán)境中支持144kbps，慢速移動環(huán)境中支持384kbp

15、s，靜止狀態(tài)下支持2Mbps。3G系統(tǒng)的技術基礎是CDMA。延伸的技術標準有：(1)WCDMA(2)CDMA2000(3)TD-SCDMA(4)HSDPA2 無線城域網無線城域網絡覆蓋范圍可以達到十公里。寬帶無線接入（BWA，Broadband Wireless Access）技術與系統(tǒng)是無線移動通信的一個重要技術與應用領域，具有經濟便捷、容量高、覆蓋面廣、可快速提供寬帶業(yè)務等優(yōu)點.無線寬帶城域網技術是以IEEE 802.16系列標準為代表的寬帶無線接入熱點技術。1999年IEEE成立了IEEE802.16工作組專門研究寬帶固定無線接入規(guī)范，目標是要建立一個全球統(tǒng)一的寬帶無線接入標準。最早的I

16、EEE802.16標準于2001年12月正式發(fā)布，之后該標準不斷豐富，先后推出了802.16a、802.16c、802.16d以及802.16e標準等。3 無線局域網 無線局域網（WLAN，Wireless Local Area Network）是在有線局域網絡的基礎上發(fā)展起來的，使局域網上的計算機具有可移動性，能快速、方便的解決有線方式不易實現的連通問題，它是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。 （1）WLAN的特點 靈活移動性安裝便捷 經濟節(jié)約 可擴展性強 便于維護和管理 （2）WLAN的標準1）802.112）802.11b/Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線保真）3

17、）802.11a4）802.11g5）其他802.11標準： IEEE802.11e、 IEEE802.11f、 IEEE802.11h、 IEEE802.11i6）HomeRF7）HiperLAN/1和HiperLAN/24 無線個域網無線個域網（WPAN，Wireless Personal Area Network）是指對個人操作空間（POS，Personal Operation Space）中的電子設備進行無線互聯而形成的無線網絡，它的核心思想是用新的無線傳輸技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線傳輸技術，實現個人信息終端的智能化互連，組建個人化的辦公或者家用信息網絡。 使用動態(tài)拓撲以適應網絡節(jié)點的移動性。

18、其優(yōu)點是: 按需建網、容錯、連接不受限制; 一種裝置用做主控，其他裝置作為從屬裝置。WPAN特點:小范圍通信（一般通信范圍在10m左右）、低功耗、低成本、低復雜性、低數據速率等。WPAN的標準(1) IrDA（Infrared Data Association）(2) 藍牙（Bluetooth）(3) IEEE802.155 Ad Hoc網絡技術無線移動自組織網（Ad Hoc）是一種節(jié)點可任意移動、拓撲結構動態(tài)變化、沒有預設的網絡基礎設施的無線網絡技術。這種無線網絡具有可臨時組網、快速展開、無控制中心、抗毀性強等特點，拓寬了移動通信的應用領域。Ad Hoc網絡與傳統(tǒng)的蜂窩技術的區(qū)別移動節(jié)點之間

19、的通信是在沒有固定基礎設施（例如基站或路由器）支持的條件下進行的。Ad Hoc網絡支持動態(tài)配置和動態(tài)流控，所有網絡協(xié)議也都是分布式的。網絡的組織和控制并不依賴于某些重要的節(jié)點，所以它們允許節(jié)點發(fā)生故障、離開網絡或加入網絡。也就是說每一個移動節(jié)點可以根據自己的需要在整個網絡內隨意移動，而無須考慮如何維護與其他實體的通信連接。因此具備動態(tài)搜索、定位和恢復連接能力。 Ad Hoc 網絡技術的研究重點組網 接入控制路由算法安全問題服務質量保證（1）組網 網絡結構自組織網絡可以分成兩種結構：平面結構和分級結構。 平面結構中，所有結點的地位平等，所以又稱為對等式結構。分級結構中，網絡被劃分為簇。每個簇由一

20、個簇頭和多個成員節(jié)點組成。簇頭結點負責簇間業(yè)務的轉發(fā)。根據不同的硬件配置，分級結構又可以分為單頻分級和多頻分級兩種。 網絡的協(xié)議棧（2）接入控制在Ad Hoc網絡協(xié)議棧中，媒體訪問控制（Medium Access Control）協(xié)議運行在物理層之上，它主要解決共用信道的使用權問題，它的性能好壞直接關系到無線信道的利用效率、網絡吞吐量、時延等性能指標的優(yōu)劣。研究的要點在： 1）低能耗2）高度的自適應性3）提高網絡公平性4）提高網絡帶寬利用率和吞吐量5）提高網絡實時性（3）路由算法Ad Hoc網絡路由算法的關鍵技術問題：路由環(huán)路避免問題、路由協(xié)議的控制開銷問題、路由協(xié)議的可擴展性問題、路由協(xié)議對

21、網絡動態(tài)性的適應問題以及路由協(xié)議與定位技術的結合問題等。從路由發(fā)現策略的角度來分，路由協(xié)議可分為主動路由和按需路由 。主動路由和按需路由比較路由類型 機制 優(yōu)點 缺點 主動路由 采用周期性的路由分組廣播，交換路由信息，每個節(jié)點維護去往全網所有節(jié)點的路由 當節(jié)點需要發(fā)送數據分組時，只要到目的節(jié)點的路由存在，發(fā)送分組所需的延時很小 花費開銷較大，能使路由更新緊隨拓撲結構變化，但動態(tài)變化的拓撲結構可能使路由更新信息變得過時，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài) 按需路由 根據發(fā)送數據分組的需要按需進行路由發(fā)現的過程，網絡拓撲結構和路由表內容也是按需建立的 不需要周期性路由信息廣播，節(jié)省了一定的網絡資源 發(fā)送數

22、據分組時，如果沒有到目的節(jié)點的路由，需進行路由發(fā)現，數據分組的發(fā)送因路由發(fā)現過程而被延時 （4）安全問題Ad Hoc網絡中沒有基站或中心節(jié)點，所有節(jié)點都是移動的，節(jié)點間通過無線信道連接，安全性較差，容易受到竊聽、入侵、仿造身分和拒絕服務等攻擊，因此有效的適用于Ad Hoc網絡的安全體系結構和安全技術是Ad Hoc網絡的研究重點之一。 （5）服務質量保證在Ad Hoc網絡中傳輸話音、圖像等多媒體信息對帶寬、時延抖動等都提出了很高的要求，這就需要提供一定的服務質量保證。相對于固定有線網絡，Ad Hoc網絡的QoS保障問題更加復雜，難以實現。Ad Hoc網絡中的服務質量保證是一個系統(tǒng)性的問題，協(xié)議棧

23、的不同層都要提供相應的機制（如QoS MAC，QoS路由等）。五 藍牙技術1 藍牙技術的概念藍牙技術是由愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾等5家大公司于1998年5月聯合推出的一種無線通信新技術。通信主要用紅外線鏈路來完成。其實質內容是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標準，使通信和計算機進一步結合，是不同廠家生產的便攜式設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內具有互用、相互操作的性能。藍牙技術的無線電收發(fā)器的鏈接距離可達10m，最多可鏈接7個設備，形成一個無線個域網絡。藍牙采用低能耗無線電通信技術來實現語音、數據和視頻傳輸。采用跳頻技術能夠抗信號衰落，采用快跳頻和短

24、分組技術能減少同頻干擾，提高通信的安全性。采用前向糾錯編碼技術能減少隨機噪聲的干擾。藍牙基帶協(xié)議是電路交換和包交換的一種組合形式，時隙做同步數據分組專用。藍牙技術支持一個異步數據通道，或3個并發(fā)的同步語音通道，或一個同時傳輸異步數據和同步語音的通道。每一個話音通道支持64Kbps的同步話音。異步通道支持的最大速率為721Kbps，反向應速率為57.6Kbps的非對稱連接，或者是432.6Kbps的對稱連接。藍牙工作在2.4GHz ISM(industry science medicine)全球自由頻段 2 藍牙網絡拓撲藍牙系統(tǒng)支持點對點和一點對多點的通信模式。它采用一種靈活的無基站組網方式，2

25、8臺藍牙設備即可組成一個微微網。在一個微微網內，所有的藍牙設備都是對等的，都以同樣的方式工作，其中只有一臺為主設備，即以其時鐘和跳頻序列同步其他設備（從設備）。多個相對獨立的，非同步的微微網客戶連成一個特殊分散網，形成靈活的多重微微網拓撲結構，各微微網使用不同的跳頻序列來區(qū)別。在擁有10個滿載獨立微微網的多重微微網結構內，全雙工數據率高于64Mbps。這是因為按照基于0dBm天線發(fā)射功率所進行的系統(tǒng)模型，其數據吞吐下降率小于10%。3 藍牙協(xié)議棧應 用 層電 話 通 信 協(xié) 議服 務 發(fā) 現 協(xié) 議串 口 仿 真 協(xié) 議數據及控制音頻邏輯鏈路控制與適配協(xié)議主 機 控 制 器 接 口鏈 路 管

26、理 層 協(xié) 議基 帶 層 ( BB)射 頻 層 (RF)4 藍牙系統(tǒng)結構藍牙系統(tǒng)一般由4個功能單元組成：天線單元鏈路控制（固件）單元鏈路管理（軟件）單元藍牙軟件（協(xié)議）單元 （1）天線單元 藍牙天線屬于微帶天線，體積小，重量輕。藍牙空中接口遵循美國聯邦通信委員會FCC有關電平為0dBm的ISM頻段的標準。藍牙的數據速率為1Mbps。ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的任何一個頻段都會遇到不可預測的干擾源。 藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶成百倍的擴展成寬頻帶，使干擾可能造成的影響變得很小。 （2）鏈路控制（

27、固件）單元在目前的藍牙產品中，人們使用了3個IC分別作為連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了3050個單獨調諧元件。 鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數據設置、鑒權、鏈路硬件配置和其他一些協(xié)議。 LM模塊提供如下服務：發(fā)送和接收數據，請求名稱，鏈路地址查詢，鏈路模式協(xié)商和建立，決定幀的類別等。（3）鏈路控制（固件）單元（4）軟件（協(xié)議）單元藍牙基帶協(xié)議結合電路開關和分組交換機，適用于語音和數據傳輸。藍牙設備需要支持一些基本互操作特性要求。對某些設備，這種要求涉及無線模塊、空中協(xié)議以及應用層協(xié)議和對象交換格式。藍牙對不同級別的設備（如PC、手持機、移動電話、耳機等）有不同的要求。軟件（協(xié)議）結構需有如下功能：設置及故障診斷工作、能自動識別其他設備、取代電纜連接、